PENGENDALIAN MOTOR DC
DENGAN MENGGUNAKAN LOGIKA FUZZY Bustanul Arifin1
ABSTRACT
Technology development of electronics engineering runs very quickly this time. By discovering fuzzy logics hope give a main development in synthetics and analysis procedure.
This procedure is able to solve many problems and human duties for continuously work, bored and dangerous.
The goal of this experiment is fuzzy logics controls model to use DC motor rotation stopping in modelling car. The experiment was designed for hardware and software. Hardware systems consist several of part, i.e. ultrasonic transmitter and receiver, AT89C51 microcontroller systems, DAC, driver circuits and DC motor. Where as, the design of fuzzy logics controller is software at AT89C51 microcontrollers.
Base on the experiment, by using single chip AT89C51 microcontroller that used for DC motor rotation stopping application with three of membership function. Inputs system are distance and velocity variable. The result of the experiment the differences region membership function at fuzzy logics significantly influential with DC motor rotation stopping.
Keywords : fuzzy logics, DC motor rotation, microcontroller
PENDAHULUAN
Logika fuzi diperkenalkan pada tahun 1920-an dan pada tahun 1965 Lotfi A. Zadech memperkenalkan satu konsep teori himpunan fuzi. Logika fuzi merupakan suatu cabang ilmu pengetahuan yang menggeluti kecerdasan mesin untuk menampilkan penggambaran yang kabur, meragukan, atau suatu dunia yang tidak pasti (samar).
Sistem pengendali mengunakan logika fuzi untuk mengendalikan putaran motor DC.
Motor DC ini diterapkan pada satu mobil-mobilan yang dapat berhenti pada jarak tertentu jika di depannya terdapat penghalang. Dalam kenyataannya dapat dianalogikan sebagai pengendalian jarak antara mobil yang dikendalikan, dengan mobil atau obyek di depannya agar diperoleh jarak aman dengan kecepatan mobil, sehingga jika mobil di depan berhenti secara mendadak tidak akan terjadi benturan. Kecelakaan sering terjadi karena kelalaian pengemudi menjaga jarak mobilnya dengan mobil di depan saat berjalan beriringan. Untuk mengatasi hal tersebut, pada tugas akhir ini dilakukan penelitian yang menggunakan model mobil-mobilan yang berpenggerak motor DC dengan parameter masukan jarak dan kecepatan.
TINJAUAN PUSTAKA
Skroder C.J (1997) menyatakan bahwa logika fuzi diaplikasikan dalam perangkat-keras dan perangkat-lunak untuk masalah-masalah kendali. Selama beberapa tahun, perancang
1Staff Pengajar Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri UNISSULA Semarang
mengembangkankannya ke dalam chip/IC logika fuzi khusus. Tetapi aplikasi logika fuzi paling banyak menggunakan komputer digital umum (mikrokontroler) daripada IC khusus.
Song, dkk (1992) dalam penelitiannya menggunakan sensor ultrasonik untuk mengukur jarak dan motor servo DC untuk menggerakkan robot mobil dengan pengendali logika fuzi.
IC khusus yang digunakan adalah produksi HP tipe HCTL-1100.
Penelitian yang lain dilakukan oleh Thongchai, dkk (2000) yang menggambarkan kendali fuzi untuk robot mobil yang menggunakan sonar. Pengendali fuzi menetapkan mekanisme pengkombinasian data sensor dari semua sensor yang merepresentasikan informasi yang berbeda. Sistem yang dirancang oleh Thongchai, dkk diimplementasikan pada IMA (Intelligent Machine Architecture) yaitu suatu teknologi perangkat-lunak yang menggunakan pendekatan dasar untuk penyusunan kembali (decomposition) sistem. Basis aturan yang digunakan dalam penelitiannya berjumlah sembilan dan bentuk fungsi keluaran adalah kurva gaussian.
DASAR TEORI
Sistem Kendali Logika Fuzi (Fuzzy Logic Controller)
Sistem kendali berdasarkan logika fuzi, baik masukan, keluaran maupun respons pengendaliannya bersifat khas dan sama dengan penalaran yang digunakan oleh para ahli.
Pengetahuan dan pengalaman yang luas pada para ahli digunakan oleh sistem ini dengan cara yang relatif mudah untuk difahami, sehingga model dan persamaan matematis yang kompleks nyaris tidak digunakan dalam sistem ini. Penalaran yang digunakan sistem fuzi biasanya dituangkan dalam aturan tertentu. Perhitungan yang luas yang dibutuhkan dalam penilaian aturan dapat dipercepat dengan menggunakan salah satu dari sekian banyak keping mikroelektronis pengendali logika fuzi (fuzzy logic controller chip) yang tersedia.
Pengendali logika fuzi yang secara khusus digunakan dalam sistem kendali kalang tertutup (close-loop control system) diperlihatkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Pengendali Logika Fuzi Kalang Tertutup
Variabel-variabel sistem mempunyai dua tipe utama, yaitu variabel masukan (E) yang diukur berdasarkan proses pengendalian, dan variabel keluaran (U) yang dipergunakan oleh FLC untuk mengendalikan proses.
Elemen utama pengendali logika fuzi ada tiga tahap yang terdiri atas fuzifikasi, unit penalaran logika fuzi, dan unit defuzifikasi (Passino dan Yurkovich, 1998). Fuzifikasi adalah proses pemetaan dari masukan luar (masukan yang diamati) ke dalam himpunan fuzi.
Basis aturan berdasar basis pengetahuan fuzi terdiri atas sejumlah aturan fuzi yang menyatakan hubungan-hubungan kendali. Aturan-aturan ini biasanya dinyatakan dalam bentuk ‘jika-maka’ (Yan dkk, 1994).
Inferens adalah cara yang digunakan agar nilai-nilai masukan yang diamati dapat U Y
+ E
R FLC PLANT
menetapkan aksi pengendalian fuzi yang tepat. Ada beberapa teknik inferens, salah satunya adalah metode Maks-Min.
Kekuatan penyulutan pada aturan ke-i diberi tanda i. Untuk masukan x0 dan y0, kekuatan penyulutan 1 dan 2 dari basis aturan dapat ditulis :
1 = A1(x0) B1(y0) (1)
2 = A2(x0) B2(y0) (2)
Keanggotaan atas hasil yang didapatkan di (c) merupakan suatu titik yang diperoleh berdasar :
c(w) = (1 c1(w)) (1 c1(w)) (3) Gambar 2 menggambarkan penalaran/inferens Maks-Min untuk nilai-nilai masukan tegas x0 dan y0 yang dianggap sebagai fuzi tunggal.
A1
B1
C1A
1B
1C
1
cu u w
A2
B2
C2w
A
2B
2C
2x
0u y
0u w
Gambar 2. Inferens Fuzi Maks - Min
Metode rerata maksimum sering disebut dengan defuzifikasi ketinggian (height defuzzification). Pengendali tegas W yang difuzifikasikan dengan metode MOM diperoleh dari :
i i n i
i i i n i
H W W H
1 (4)dengan n : jumlah aturan
WI : nilai pengendali tegas yang relevan dengan semesta wacana untuk pengendali keluaran aturan ke-i
HI : ketinggian maksimum fungsi keanggotaan bagi aturan ke-i
I : kekuatan penyulutan yang diberikan oleh aturan ke-i
Ra La
Ea
Ia
T Eb
if=konstan J
f Mikrokontroler AT89C51
Mikrokontroler AT89C51 merupakan anggota keluarga MCS-51 yang diproduksi oleh Atmel dengan teknologi high density nonvolatile memory dan merupakan mikrokontroler yang kompatibel dengan mikrokontroler standar industri MCS-51. Mikrokontroler AT89C51 merupakan mikrokontroler CMOS dengan 8-bit yang berdaya rendah dan dilengkapi dengan Programmable and Erasable Read Only Memory (PEROM) 4 kbyte.
Arsitektur dasar AT89C51 tersusun atas komponen-komponen : CPU 8-bit, Prosesor Boolean (pengolahan data 1-bit), Memori data (RAM) di dalam chip, 128-byte, Register khusus (SFR), 128-byte, Empat port yang masing-masing lebarnya 8-bit yang sifatnya dua arah dan setiap bit dapat dialamati, Satu port, yaitu port-3, yang dapat berupa jalur serial, interupsi, dan masukan untuk pencacah, serta sinyal baca dan tulis untuk memori luar, dan Pewaktu/pencacah 16-bit sebanyak 2.
Program memori adalah memori yang menyimpan program aktual pada AT89C51 yang akan dijalankan. Di dalam AT89C51 sudah terdapat memori program internal sebesar 4K, namun dapat diekspansikan dengan menggunakan EPROM hingga 64K.
Mikrokontroler AT89C51 mempunyai port-serial yang berfungsi untuk komunikasi data secara serial. Untuk menampung data yang diterima atau data yang akan dikirimkan, mikrokontroler ini mempunyai satu register, yaitu SBUF. Salah satu mode komunikasi serial adalah mode 1 dengan baud rate yang dapat diatur dengan Timer1. Baud rate yang tepat dapat diperoleh jika menggunakan kristal 11,059 MHz (Eko, 2002).
Motor DC dan Rangkaian Penggerak Motor
Motor DC adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Pada motor terdapat satu penghantar yang dialiri arus listrik dan berada di dalam medan magnet. Arus searah dialirkan ke kumparan yang dililitkan pada rotor sehingga timbul medan magnet pada kumparan dan timbullah gaya yang menggerakkan rotor.
Rangkaian kesetaraan motor DC ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Rangkaian Ekivalen Motor DC
Menurut Wildi (1997), kecepatan motor DC ditunjukkan dengan persamaan :
C R I E
C E
N
b a a a (5)1 Las+Ra
K s ( Js + f ) + _
Kbs Ea(s)
Eb(s)
Ia(s) (s)
Kecepatan motor DC dapat diatur dengan pengaturan tegangan jangkar ataupun dengan pengaturan medan. Menurut Ogata (1993), diagram kotak motor Dc dengan pengaturan tegangan jangkar ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Diagram Kotak Motor DC dengan Pengaturan Tegangan Jangkar Fungsi alih motor DC dengan pengaturan tegangan jangkar pada Gambar 4 adalah :
] KK f R J)s R f (L Js s[L K (s) E
Θ (s)
b a
a a 2 a
a
(6)Induktansi La pada rangkaian jangkar adalah kecil dan dapat diabaikan (Ogata, 1993), sehingga fungsi alih persamaan (7) dapat disederhanakan menjadi :
1) s s(T K (s) E
Θ(s)
m m
a
(7)MATERI PENELITIAN
Pada sistem penghentian putaran motor DC berdasarkan logika fuzi ini ditentukan variabel masukan adalah jarak dan kecepatan. Penyusunan fungsi keanggotaan masukan berdasarkan gambar/grafik yang menunjukkan nilai-nilai kecepatan dan jangkah (range) pendeteksian sensor jarak.
Jarak maksimum yang dapat dideteksi sensor jarak (ultrasonik) adalah 150 cm dan jarak minimum 7 cm. Hasil pendeteksian ini digunakan untuk masukan fungsi keanggotaan jarak.
Untuk mendapatkan batas fungsi keanggotaan kecepatan dapat diperoleh berdasarkan grafik yang dihasilkan jika model mobil diberi keluaran maksimum dan keluaran minimum.
Gambar 8.a menunjukkan grafik perubahan jarak terhadap waktu jika model mobil diberi keluaran minimum. Waktu sampling yang diperlukan adalah 0,010691 s dan jumlah sampling yang dibutuhkan sampai model mobil berhenti (jarak 7 cm) adalah 330, sehingga total waktu yang diperlukan untuk menempuh jarak 130 cm adalah 3,528 s (330 x 0,010691 s). Dari total waktu yang didapatkan, dapat diketahui kecepatan model mobil adalah 130 cm / 3.528 s = 36.848 cm/s.
Kecepatan maksimum model mobil dapat diketahui berdasarkan gambar 8.b. Waktu sampling yang diperlukan adalah 0,010691 s dan jumlah sampling yang dibutuhkan sampai model mobil berhenti (jarak 7 cm) adalah 148, sehingga total waktu yang diperlukan untuk menempuh jarak 130 cm adalah 1,753 s (164 x 0,010691 s). Dari total waktu yang didapatkan, dapat diketahui kecepatan model mobil adalah 130 cm / 1.753 s = 74.158 cm/s.
Gambar 8. a. Grafik perubahan jarak terhadap waktu dengan keluaran DAC 090d b. Grafik perubahan jarak terhadap waktu dengan keluaran DAC 255d Berdasarkan perhitungan dan pengamatan pada Gambar 8.a dan Gambar 8.b ditetapkan fungsi keanggotaan kecepatan minimum 35 cm/s dan keanggotaan kecepatan maksimum 75 cm/s.
Dengan diperolehnya batas-batas masukan yaitu berupa variabel jarak dan variabel kecepatan yang dianggap sebagai basis-pengetahuan, maka dapat disusunlah basis-aturan yang menjadi aturan dalam pengendalian logika fuzi pada sistem ini. Tabel 1. menunjukkan susunan basis-aturan yang ditetapkan berdasarkan basis-pengetahuan yang diperoleh.
Tabel 1. Basis-Aturan Logika Fuzi pada Penghentian Putaran Motor DC Kec
Jarak Kec_R Kec_S Kec_T
Jrk_D Kecil Kecil Kecil
Jrk_S Medium Medium Kecil
Jrk_J Besar Besar Medium
Berdasarkan basis-pengetahuan yang dihasilkan oleh sistem ini, fungsi keanggotaan masukan variabel jarak dan variabel kecepatan dibagi menjadi tiga fungsi keanggotaan dengan bentuk trapesium dan segitiga. Karena dengan kecepatan maksimum, model mobil berhenti pada jarak antara 30 cm sampai dengan 25 cm jika dilakukan pengereman maksimum maka jarak ini menjadi pertimbangan untuk menentukan batas fungsi keanggotaan jarak_dekat. Untuk fungsi keanggotaan keluaran ditentukan berdasarkan derajat keluaran DAC. Karena batas derajat keluaran yang dihasilkan sistem ini adalah
keluaran kecil (1) mewakili derajat keluaran 50d, nilai fungsi keluaran medium (3) mewakili 150 dan nilai fungsi keluaran besar (5) mewakili 250d. Gambar 9, Gambar 10, dan Gambar 11 memperlihatkan batas-batas fungsi keanggotaan variabel masukan jarak, fungsi keanggotaan variabel masukan kecepatan dan variabel keluaran derajat keluaran DAC.
Untuk mendapatkan fungsi keanggotaan yang tepat untuk pengendalian model mobil ini, dilakukan percobaan dengan tiga variasi, yaitu variasi batas fungsi keanggotaan jarak, variasi batas keanggotaan kecepatan, dan variasi batas keanggotaan keluaran derajat DAC.
Gambar 9. Fungsi Keanggotaan Masukan Variabel Jarak
Gambar 10. Fungsi Keanggotaan Masukan Variabel Kecepatan
Gambar 11. Fungsi Keanggotaan Keluaran Jarak (cm)
75 150
0 A
1
12 5 B
Jrk_D Jrk_S Jrk_J
25
3 5
0
1
Kecil Mdm Besar
Derajat out
DAC
1
55 75
35
43 67
Kecepatan (cm/s)
1
Kec_R Kec_S Kec_TA B
HASIL PENELITIAN Penelitian 1
Penelitian pertama fungsi keanggotaan masukan jarak_sedang dimulai pada titik 25 cm dengan puncak segitiga 75 cm dan diakhiri di titik 125 cm. Variasi keanggotaan percobaan berikutnya mempunyai nilai selisih lima dengan titik sebelumnya, tetapi dengan titik puncak segitiga tetap. Penelitian ini mempunyai lima bentuk variasi keanggotaan. Variasi bentuk fungsi keanggotaan masukan variabel jarak secara lengkap ditunjukkan pada tabel 2.
Tabel 2. Variasi Fungsi Keanggotaan Variabel Jarak_Sedang
Variasi Titik A Titik B Keterangan
1 25 125 Tipe 1
2 35 115 Tipe 2
3 45 105 Tipe 3
4 55 95 Tipe 4
5 65 85 Tipe 5
Tabel 3. Pengaruh Menyempitnya Fungsi Keanggotaan Jarak Sedang Variasi Percobaan Jarak berhenti di depan
penghalang (cm)
Waktu Berhenti (detik)
1 Tipe-1 13 3,004
2 Tipe-2 23 2,950
3 Tipe_3 28 2,907
4 Tipe-4 32 2,662
5 Tipe-5 38 2,554
Penelitian 2
Penelitian kedua ini dilakukan dengan memberi variasi bentuk fungsi keanggotaan masukan variabel kecepatan_sedang. Pemberian variasi pada penelitian ini menggunakan bentuk segitiga dengan mempersempit fungsi keanggotaan. Penelitian ini memberikan variasi bentuk fungsi keanggotaan kecepatan_sedang yang dimulai pada titik 39 dengan titik puncak 55 dan titik akhir 71. Dengan menetapkan selisih nilai empat antar variasi, sehingga didapatkan empat tipe bentuk fungsi keanggotaan. Variasi bentuk fungsi keanggotaan masukan variabel kecepatan_sedang ditunjukkan pada tabel 4.
Tabel 4. Variasi Fungsi Keanggotaan Variabel Kecepatan_Sedang
Variasi Titik A Titik B Keterangan
1 39 71 Tipe 6
2 43 67 Tipe 7
3 47 63 Tipe 8
4 51 59 Tipe 9
Variasi Percobaan Jarak berhenti di depan penghalang (cm)
Waktu Berhenti (detik)
1 Tipe-6 18 2,929
2 Tipe-7 20 2,694
3 Tipe_8 21 2,597
4 Tipe-9 23 2,416
Penelitian 3
Penelitian ini dilakukan dengan memberikan variasi fungsi keanggotaan keluaran yang dikirimkan ke DAC. Variasi keluaran pada penelitian ini berjumlah tiga yang ditunjukkan pada Tabel 6.
Tabel 6. Variasi Fungsi Keanggotaan Keluaran
Variasi Titik A Titik B Titik C Keterangan
1 1 3 5 Tipe 10
2 1 2,5 4 Tipe 11
3 2 3,5 5 Tipe 12
Tabel 7. Pengaruh Variasi Fungsi Keanggotaan Keluaran Variasi Percobaan Jarak berhenti di depan
penghalang (cm) Waktu berhenti (detik)
1 Tipe-10 28 2,491
2 Tipe-11 34 2,565
3 Tipe_12 08 2,469
PENUTUP
Dari pengamatan hasil penelitian karya tulis ini, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Semakin sempit bentuk fungsi keanggotaan masukan, penghentian putaran motor DC semakin cepat. Pada penelitian ini dengan bentuk fungsi keanggotaan jarak yang paling kecil memerlukan waktu 2,554 detik untuk menghentikan putaran motor DC dari jarak 150 cm. Sedangkan pada fungsi keanggotaan masukan kecepatan, putaran motor DC berhenti pada waktu 2,416 detik.
2. Beberapa hal yang mempengaruhi keakuratan pengukuran jarak yaitu pemantul (dinding) yang tidak rata, kecepatan angin, serta getaran yang dihasilkan. Faktor ini dapat menyebabkan kesalahan pengukuran jarak.
3. Penggunaan mikrokontroler AT89C51 dalam perancangan sistem kendali logika fuzi memberikan kemudahan karena fleksibilitas yang tinggi yaitu dengan mudah dapat memodifikasi bentuk fungsi keanggotaan dan fasilitas yang memadai berupa RAM sebesar 128 byte dan EPROM sebesar 4 kbyte.
DAFTAR PUSTAKA
Eko P., Agfianto, 2002, Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55 (Teori dan Aplikasi), Gava Media, Yogyakarta.
Ibrahim, Ahmad M., 1999, Introduction to Applied Fuzzy Electronics, Prentice-Hall of India, New Delhi.
Ogatha, Katsuhiko, 1995, Teknik Kontrol Automaik (Sistem Pengaturan), Jilid 1, PT Erlangga, Jakarta.
Passino, Kevin M., Yurkovich, S., Fuzzy Control, 1998, Addison-Wesley, California.
Sakaguchi, S., Sakai, I, 1993, Application of Fuzzy Logic to Shift Scheduling Method for Automatic Transmission, Fuzzy Logic Technology and Applications, p.94 - p.100, New-York.
Skroder, John C, 1997, Using the M68HC11 Microcontroller, Prentice-Hall Internaional Inc, Texas.
Song, K.,Chau, J., 1992, Fuzzy Navigation of a Mobile Robot, Fuzzy Logic Technology and Applications, p.141- p.147, New-York.
Stiffler, A. Kent, 1992, Design with Microprocessors for Mechanical Engineers, McGraw- Hill. Inc, Singapore.
Thongchai, S., Suksakulchai, S., 2000, Sonar Behavior-Based Fuzzy Control for a Mobile Robot, Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, Nashville, Tennessee, October 8-11, 2000.
Wildi, Theodore, 1997, Electrical Machines, Drives, and Power Systems, Prentice-Hall International Inc, New Jersey.
Yan, Jun, Michael R., 1994, Using Fuzzy logic, Towards Intelligent systems, Prentice Hall, New York.
Yeralan, S., Ahluwalia, A., 1995, Programming and Interfacing the 8051 Microcontroller, Addison Wesley, New York.
